화학플랜트 업체는 고효율, 고도화 공정 개발을 가속화 하고 있다. 고도화 공정은 과거 공정보다 높은 압력, 온도의 장치를 필요로 한다.
여기에 근간을 이루는 기술은 고온·고압장치 및 노후설비의 안전성 평가 및 진단 기술이다.
최근 외국의 선진기업은 어느정도 포화상태에 이른 신규 플랜트 건설 보다는 기존 플랜트 및 산업설비의 복원사업에 높은 관심을 보이고 있다.
그런데 이들 기업이 기술을 독점하고 있어서 설비교체를 추진하기 위한 과잉 안전성 평가를 제시하는 등 기술횡포 사례가 다수 발생하고 있다.
이처럼 국가적으로 설비의 안전성 평가기술의 개발이 늦어지면 외국의 공정을 도입하고 계속적으로 막대한 로얄티를 지불해야만 하고, 선진국의 기술종속국으로 계속 머물러 독자적인 화학플랜트 고도화 공정개발이 불가능하다.
또 화학플랜트에 대한 안전성 평가 및 진단 기술을 확보해 적절한 안전성 평가를 실시하면 수명연장 및 설비이용률 증대에 따른 막대한 경제적 이득의 창출이 가능하다.

1. 화학플랜트 정의 및 기술분류

우리나라의 석유화학플랜트는 1960~70년대 집중적으로 걸설되어 약 30년 이상 활발하게 상업운전을 하고 있으나 설비가 노후화되어 크고 작은 설비 사고가 간간히 발생해 공공의 관심과 우려를 자아내고 있다.
이는 플랜트 사고가 발생하게 되면 해당 플랜트는 물론이고 석유화학 단지 내 다른 화학플랜트 및 인근 거주지역까지 피해를 줄 수 있기 때문이다.
화학플랜트는 대규모의 복합 다양한 장치산업으로 다른 플랜트에 비해 화재 폭발 누출 사고를 유발할 수 있는 위험요소를 상당수 보유하고 있다.
화학플랜트의 안전 대책은 계획된 가동 기간과 생산량을 고려해 설비의 고장사고를 포함해 장치의 파손 및 폭발을 수반하는 대형사고의 방지를 위한 대책을 일컫는다.
화학플랜트 안전을 위한 소재기술의 분류는 다음의 표와 같다.

2.1 화학플랜트사고 현황

(1) 석유정재 플랜트
석유정제공정은 원유에 물리적·화학적인 처리를 하여 여러 가지 석유제품을 만드는 공정을 말한다.
석유정제 플랜트의 손상에 영향을 미치는 요인은 원유에 포함되어 있는 불순물(황화물, 염화물, 질화물 등)뿐만 아니라 투입하는 원료(수소 등)이다.
따라서 이 플랜트에서의 안전을 위해 각 공정 조건에 부합하는 소재가 선정되어 사용되고 있으나, 장기간 사용에 따른 문제점(부식, 균열 등)이 수시로 발생되고 있다.

(2) 소다 플랜트
소다공업은 소다와 염소로 대표되는 공업이다.
소대 플랜트는 다른 플랜트, 구조물과 비교해서 반응 공정 및 프로세스 유체 등이 복잡하고 종류도 다앙하며, 미량 불순물도 다양하게 포함돼 있기 때문에 이것에 기인한 부식 손상이 많이 발생한다.
최근에는 자원 및 환경문제 이슈로 클러스터화와 무공해 공정개발이 추세인데, 이것과 관련해 새로운 부식 문제가 대두되고 있다.
즉 전해법 소다 공업이 수은법에서 분리막 방법으로 전환한 현재는 제조장치 자체의 새로운 부식문제와 제조 품질면으로부터 대두되는 부식 문제에 직면하고 있다.
또한 최근 고순도 품위 제품에 대한 요구로 장치 자체의 부식에 의한 제품의 오염을 방지하기 위해 보다 내식성이 높은 소재의 사용이 필요하다.

2.2 화학플랜트의 핵심장치 및 부품

(1) 압력용기류의 손상과 소재 특성
압력용기는 원재력, 석유정제, 화학공업 등 다양한 산업에서 사용되며, 이것을 구성하는 소재는 목재 및 수지, 콘크리트, 세라믹, 비철금속, 철강 등이다.
이중 화학플랜트에서 사용되는 압력용기는 수소·황화수소 분위기 및 고온/고압의 가혹한 조건에서 작동된다.
본고에서는 철강제 압력용기를 중심으로 손상과 손상요인 및 사용되는 소재의 특성에 관해 기술하겠다.
온도별로 석유정제 및 석유화학 장치의 중요한 구성 소재에 대해 정리한 내용은 다음의 표와 같다.

재료의 열화종류·정도 등을 정확하게 진단해서 잔존수명을 신뢰성있게 추정해야 한다. 이와 관련한 수명 개선 대책 수립의 필요성이 대두되고 있다.

(3) 열교환기의 재질열화와 수명예측
석유화학 플랜트에서는 다양한 종류의 열교환기가 사용되고 있다. 가장 많이 사용되고 있는 열교환기는 다관식으로 고온·고압·대형인 것이 특징이다.
사용환경 및 방법에 따라서 10년 이상 손상없이 사용되는 경우도 있지만 사용조건이 매우 다양하기 때문에 다양한 종류의 손상이 일어난다.
전면부식, 공식, 열점부식, 침적부식, 침식부식, 틈새부식, 전위차부식, 응력부식 균열, 부식피로균열, 진동마모 등이다.
열교환기는 정기적으로 순수에 의해 각 부위별 적합한 검사방법을 채택해 실시한다. 그 중에서도 육안검사가 매우 중요하고 이외의 검사는 취사 선택해 실시한다.

열교환기 튜브의 두께는 약 2mm 정도로 압력용기에 비교해 얇은 편이고, 미미한 부식을 받아도 국부적으로 누수 현상이 발생하기 때문에 정기적으로 세심한 관리가 필요하다.
가중 중에 생성되는 응축액의 pH를 지속적으로 측정해 운전 관리할 수 있다.
튜브검사는 재질·부식형태·사용 환경 등에 따라서 나타나는 손상의 형태가 다르기 때문에 가장 적당한 방법과 조건을 확인할 필요가 있고, 고도의 기술을 요하는 특성이 있다.
튜브의 손상 형태는 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 그 중 하나는 강도에 영향을 미쳐서 돌발적인 파손사고를 일으킬 수 있는 경우이다.

그 외에는 부분적으로 손상이 일어나서 누수가 발생해 장치의 성능이 현저하게 저하되는 형태를 들 수 있다.
압력용기는 일단크기가 큰 장치의 경우, 유체와 접하는 부분은 전반적으로 육안검사가 가능하지만 배관과 열교환기 튜브는 직접 관찰이 불가능해 부분 검사에 의해 전체 상태를 통계적 방법을 이용해 추정하는 방법을 사용하고 있다.

2.3 화학플랜트안전을위한 노력

화학플랜트의 설비 관리 기술은 고부가 가치 제품을 안전하고, 안정적으로 제조하기 위한 긴요한 엔지니어링 기술이다.
이를 위해서는 설비의 핵심부품에 대한 진단 기술과 이에 관련된 보수유지 기술이 필수적으로 요구된다.

화학플랜트는 다양한 형태로 진보되어 왔고, 각 형태에 따른 정비 관리 방식도 각기 다른 종류를 나타내고 있다.
예를 들어 대형 연속 플랜트에서는 TPM 방식중에서 주로 정기 수리/보수 중심의 TBM 방식이 채용되고 있고, 1년 주기인 SDM을 2년주기로 연장하면서, 궁극적으로는 장기 안정 조업의 수요를 충족시키고 있다.

따라서 이를 위해서는 고도의 신뢰성을 동반하는 설비 진단은 플랜트 장수명화의 필수 조건이다.
화학플랜트는 반응에 관계하는 물질이 다양할 뿐만 아니라 고온·고압·고속유체 및 열전달 등의 조건이 변동하는 복잡한 환경에서 가동되고 있다.
그러므로 플랜트 설비를 구성하는 구조용 소재가 받는 응력도 다양하고 복잡하다.
화학플랜트 설비의 안정적 가동을 위해서는 사전에 설비 진단 기술의 신뢰성이 무엇보다도 중요하하는 것이 필수적이다.

3. 결론

안전성 평가 이론 및 각종 기계적·금속학적 실험결과를 응용해 고온·고압 하에서 장기간 운전하는 플랜트의 산업별·소재별·사용환경 별 안전성평가 핵심 요소기술을 종합적으로 확보해야 하고, 타분야(IT 등)와의 융합을 통해 핵심 요소기술을 하나의 유기체로 통합하는 것이 필요하다.
이를 통해 독자적인 기술확보가 가능하고, 선진 외국기술, 특별히 제작사의 과잉 안전성평가에 의한 기술횡포의 예방도 가능할 것으로 사료된다.

플렌트의 안전성진단 및 평가에는 체계적인 절차가 필요하고 최적의 평가체계가 필요하다. 이는 그동안의 요소기술과 진단 결과, 실행항목별 체계를 DBfh 구축해 설비의 안전성 및 경제성 제고에 기여해야 한다.

고난이도의 전문 기술인 안전성 관련 기술을 현장 관련자들도 쉽게 접근해 솔루션을 얻을 수 있는 체계 구축을 통해 관련 기술의 공유와 정보교류를 활성화하는 것이 필요하다.

* 본 기술자료는 재료연구소에서 발간한 [기계와 재료] 27권 제1호에 게재된 재료연구소 산업지원/안전 본부 재료 안전평가실 이종훈 책임연구원의 발표자료를 요약한 것이다